Вечнозелёное дерево высотой 25—40 м. Ветви первого порядка почти никогда не образуют боковых побегов. Побеги первого порядка заканчиваются мужской или женской шишкой. После созревания семян ветка отмирает. То же происходит и с ветками, которые не образовали шишек. Новые ветви образуются из спящих почек на главном стволе. Коракоричневая губчатая, пробкообразная.
Листья плоские, длиной 3—8 см, шириной до 0,5 см. Расположены спирально, но сдвинуты так, что образуют два или четыре ряда. Цвет изменяется от зеленовато-лимонного у молодых деревьев до оливково-жёлтого у взрослых. Зрелые листья плотные, восковидные.
Женские шишки — светло-зелёные, мужские — коричневые цилиндрические.
Филогенетические исследования помещают воллемию и агатис в одну кладу в семействе Араукариевые. Расхождение этих родов произошло примерно 18 млн лет назад.